连接器及组件夹具随机振动仿真设计

0引言

连接器及组件广泛应用于航空、航天等各个领域,是系统与系统之间联系的纽带,在工作过程中常常会经受各种振动,这就要求其中的连接器在振动条件下均能正常工作,特别是不能发生瞬断,因为连接器的瞬断有可能导致整个系统的失效^[1]。

连接器及组件在实际进行随机振动试验时,需要通过夹具固定在振动台上。夹具作为振动台与试验件的连接部件,其力学传递特性对振动试验至关重要。如果夹具设计不合理,可能使试验件受到的振动环境失真,造成“欠试验”或“过试验”,导致对真实结果的误判。因此,夹具的设计是否合理对于振动试验至关重要^[2]。

1 动力学模型

随机振动是指结构在不确定性载荷作用下的响应。多自由度系统在随机载荷作用下的动力学方程如下:

式中: [M]、[C]、[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼

矩阵和刚度矩阵;X“、X‘、X分别为单元节点的加速度、速度、位移;F(t)为激励。

夹具的模态分析中通常不考虑阻尼影响,且激励为0,因此动力学方程可以转化为特性方程:

式中:w_i为振动频率;φ_i为模态,即与固有频率对应的振型。

2夹具设计与仿真优化

2.1 夹具设计要求

夹具设计需满足以下基本原则:第一,夹具的固有频率应尽可能高,夹具的1阶固有频率应大于试验件1阶固有频率的3倍以上;第二,夹具与试验件各安装接口处响应要一致,以确保振动输入的均匀性;第三,尽量使试验件与夹具组装后的重心低,从而保证夹具的稳定性和可靠性;第四,具有稳定的机械性能;第五,加工的简易性与经济性。

2.2 夹具材料选择

目前比较常用的夹具材料有铝材、钢材、镁材等,通常夹具固有频率越高,其性能越好。夹具固有频率计算公式如下:

式中:⨍为固有频率;k为夹具刚度;m为夹具质量。

由式(3)可知,为提高固有频率⨍应尽可能减轻夹具质量m,同时增大夹具刚度k。

综合考虑材料特性和应用环境,将铝合金6061T6选为夹具制作材料,螺钉等紧固件材料为316L不锈钢。材料主要物理参数如表1所示。

2.3 夹具初步设计及仿真分析

由于连接器及组件一般需要进行三个方向的振动试验,同时考虑夹具加工简易性与经济性要求,初步设计夹具如图1所示。夹具呈L型结构,底部通过紧固螺钉与振动台锁紧,保证夹具与振动台之间进行有效稳定的连接,竖直方向在安装高度开四颗螺钉孔,用于连接试验件。

2.3.1模态分析

在进行随机振动分析前,需要进行模态分析。通过仿真,夹具前3阶固有频率分别为482.08、834.49、998.94 Hz。第1阶振型为竖直向水平共振,位置偏高,是由于重心偏高;第2阶振型为底部垂直向共振;第3阶振型为竖直向水平扭转共振,如图2所示。

2.3.2随机振动分析

随机振动试验量级如图3所示,加速度均方根值为9.9g。设置整体阻尼比为5%,取敏感方向垂直方向进行随机振动仿真。

通过仿真,得出垂直方向加速度均方根响应及3σ应力分布如图4所示,从图中可以看出,四颗螺钉孔处加速度均方根值最大约为154 m/s²,较输入值99m/s²约有1.5倍放大;最大应力值约为9.5 Mpa,远小于材料屈服强度,材料强度没有问题。

综合夹具的模态和随机振动仿真,得出初步设计的夹具固有频率明显偏低,螺钉孔位置加速度均方根值有1.5倍放大,存在“过试验”,需对该夹具进行改进。

2.4 夹具改进设计及仿真分析

由于初步设计的夹具存在“过试验”,因此对原夹具进行改进。经分析,原夹具不合格主要是其重心偏高造成的。为降低夹具的重心,将夹具改为倒T型结构,并把底部挖空位置填上,增强夹具与振动台之间的稳定性。螺钉孔另一侧及夹具外侧加上加强筋,不仅能降低夹具的重心,还能大幅提高夹具的刚度。改进后夹具如图5所示。

2.4.1模态分析

模态分析边界条件设置与前面保持一致。通过仿真,夹具前3阶固有频率分别为2480.8、3072.6、5 017.5 Hz,基频由原来的482.08 Hz提高到2 480.8 Hz,改进效果比较明显。第1阶振型为竖直向水平共振,第2阶振型为底部垂直向共振,第3阶振型为竖直向水平扭转共振,如图6所示。

2.4.2随机振动分析

改进夹具随机振动分析,量级、设置与前面保持一致。通过仿真,得出垂直方向加速度均方根响应及3σ应力分布如图7所示,从图中可以看出,四颗螺钉处加速度均方根值最大约为104m/s²,较输入值99m/s²基本没有放大;最大应力值约为1.7 Mpa,远小于材料屈服强度,材料强度没有问题。

由于要求夹具的1阶固有频率应大于试验件1阶固有频率的3倍以上,现单独对试验件进行模态固有频率分析,边界条件为固定试验件对应的四颗螺钉,得到试验件前10阶固有频率如图8所示,可以看出试 验件1阶频率为735.87 Hz。

综合改进后夹具的模态和随机振动仿真,得出改进后夹具的1阶频率2 480.8 Hz大于试验件1阶频率735.87 Hz的3倍以上,且四颗螺钉处加速度均方根值最大约为104 m/s²,较输入值99 m/s²基本没有放大,不存在“欠试验”或“过试验”,改进后夹具满足设计要求。

3连接器及组件仿真与试验

连接器及组件安装在夹具上进行随机振动仿真,主要分析J599连接器的加速度均方根值大小,判断连接器是否发生瞬断,边界条件设置、随机振动载荷与前面分析保持一致。通过仿真,得到连接器及组件加速度均方根值分布如图9所示,四颗螺钉处加速度均方根值约为105 m/s²,与前面改进夹具分析基本一致,说明此夹具能够保持较好的稳定性与可靠性。J599连接器上加速度均方根值最大约为147 m/s2,小于连接器的许用值290 m/s2,连接器不会发生瞬断。

对改进夹具进行加工,安装上试验件后在振动台上进行随机振动试验,如图10所示。在振动台与夹具连接处、夹具与试验件连接处、J599连接器上同时安置3个监测点,得到各个位置处的加速度均方根值如表2所示。

从表2可以看出,振动台与夹具连接处、夹具与试验件连接处仿真与试验值基本一致。J599连接器上仿真值较试验值偏小,原因是仿真模型的简化及连接器尾部线缆产生的误差。仿真误差在5%以内,可以满足设计需求。

4结论

本文先对初步设计的连接器及组件夹具在ANSYS仿真平台上进行模态及随机振动仿真,得出初步设计的夹具基频较低且四个螺钉孔安装位置加速度均方根值有1.5倍放大,不满足设计需求。通过更改结构、降低重心、增加加强筋等措施对夹具进行改进,并对改进后的夹具再次进行仿真,仿真结果显示,改进后的夹具设计合理,实现了其基频大于试验件3倍的目标,且四个螺钉孔安装位置加速度均方根值基本没有放大。最后对连接器及组件进行了仿真与试验对比,试验结果验证了仿真的正确性。应用ANSYS对连接器及组件的夹具进行模态及随机振动仿真,可以有效分析夹具设计的合理性，并能在设计不合理时进行改进,减少夹具加工与试验时间,此方法对其他产品的夹具设计也有较高的参考价值。

[参考文献]

[1]杨奋为.航天用电连接器的接触可靠性研究[J].上海航 天,2000(6):43—48.

[2]姜节胜,高跃飞,顾松年.环境振动试验技术的若干新进展[J].机械强度,2005,27(3):307—311.

2024年第19期第9期